大气扩散模式FLEXPART不确定性分析——以福岛核事故放射性物质扩散模拟为例

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2011年3月发生的日本福岛核事故释放了大量的放射性物质进入大气,对人体健康、生态安全等造成严重威胁。大气扩散模式可模拟放射性物质在大气中的扩散、沉降等过程,为核事故的影响评价、政府决策等提供有力支持。FLEXPART模式作为一种拉格朗日粒子扩散模式,在大气污染扩散与核事故后果评价领域应用广泛。但是拉格朗日模式较为复杂,气象输入数据的不确定性和模式参数的不确定性均可影响模式的模拟结果。因此,分析不同因子对FLEXPART模式模拟结果的影响具有重要的意义。  拉格朗日模式模拟过程涉及的参数化方案较多,存在诸多不确定性来源,其中源项与气象输入的不确定性是引起模拟结果不确定性的两个主要因子。另外,从FLEXPART模式的参数化方案可知,土地覆盖类型会直接影响到模式干沉降过程的计算。因此,本文以2011年3月福岛核事故为例,讨论源项、气象输入及土地覆盖输入变化对FLEXPART模式模拟放射性物质大气扩散、沉降结果的影响。主要开展了以下几方面的工作:  (1)基于两种常用源项(Terada等反演的137Cs源项和Stohl等反演的137Cs源项)对福岛核事故放射性物质137Cs大气长距离传输、扩散过程进行模拟,讨论基于两种源项的烟云时空分布模拟结果的差异性。对比发现:FLEXPART模式基于Stohl源项在全球尺度的大气扩散模拟效果较好,可为模式应用时源项的选择提供参考;  (2)讨论两种土地覆盖输入(IGBP-DISCover土地覆盖数据和由2001-2010年MCD12Q1数据融合得到的MODIS土地覆盖数据)对FLEXPART模式长距离传输的影响。结果表明,福岛核事故放射性物质的干沉降污染区域主要为日本本州岛及其东部海域,基于MODIS数据获得的放射性物质的干沉降总量在全球尺度上整体低于基于IGBP-DISCover数据的模拟结果。MODIS土地覆盖数据与IGBP-DISCover相比,面积权重最大的土地覆盖类型所对应的面积权重整体偏高,粗糙度整体偏低,使得FLEXPART模式基于MODIS数据模拟得到的干沉降量较低。  (3)以GFS和ECMWF大气再分析资料作为WRF大气模式的初始场资料,分析FLEXPART-WRF模式基于不同的气象初始场资料模拟结果的差异性。然后,利用GFS再分析资料作为FLEXPART气象输入对福岛核事故放射性物质的大气扩散、沉降过程进行模拟,分析FLEXPART和FLEXPART-WRF基于同一气象输入数据(GFS)模拟结果存在的差异性。结果表明,WRF基于GFS和ECMWF初始场资料模拟获得的两套气象数据的风速风向、温度和降水等的时空分布存在明显差异,使得FLEXPART-WRF基于两套气象数据模拟浓度的时空分布具有明显的差异性,但烟云覆盖区域相似;由于WRF模拟结果受到物理过程参数化方案的选择及其不同组合方式等因素的影响,使得FLEXPART-WRF基于GFS模拟的大气放射性物质浓度和沉降分布的结果并未明显优于FLEXPART直接基于GFS的模拟结果。
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